Java并发编程-并发编程的Bug源头：可见性、原子性和有序性问题

学习极客时间上的《Java并发编程实战》课程之余，结合自己的理解整理一部分笔记以巩固知识。

并发编程的起源

1.硬件设备发展的核心矛盾：CPU、内存、I/O设备三者间存在的速度差异。根据木桶原理，程序整体性能最终受制于速度最慢的I/O设备。
2.为了平和三者速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献，主要体现为：
（1）CPU增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；
（2）操作系统增加了进程、线程，以分时复用CPU，进而均衡CPU与I/O设备的速度差异；
（3）编译程序优化指令执行顺序，使得缓存能够得到更加合理地利用。

并发编程出现问题的源头

一：缓存导致的可见性问题

单核时代，所有线程在同一CPU上云析，CPU缓存与内存的数据一致性容易解决。如下图，线程A与B操作同一个CPU里的缓存，故A修改过变量V后，B再访问变量V，得到的一定是最新值，即A修改过的值。

一个线程对共享变量的修改，另一个线程可以立即看到，称之为 可见性。

多核时代，每个CPU都有各自的缓存，当多个线程在不同的CPU上执行时，这些线程操作的是不同的CPU缓存，如下图所示，线程A所修改的CPU-1缓存中的变量V，这个操作对线程B则不具有可见性。

二：线程切换带来的原子性问题

高级语言里一条语句往往需要多条 CPU 指令完成,例如要完成count += 1，至少需要三条CPU指令。

指令1：把变量count从内存加载到CPU的寄存器中；
指令2：在寄存器中执行 +1 操作；
指令3：将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是CPU缓存而不是内存）

操作系统进行线程切换，可以发生在任何一条CPU指令执行完（不是高级语言中的一条语句）。如下图所示，假设在线程A执行第一条CPU指令后发生了线程切换，A与B会以图中顺序执行。得到的count不是我们期望的2，而是1.

我们把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性成为原子性。CPU可以保证的原子操作是CPU指令级别，而高级语言层面保证操作的原子性。

三：编译优化带来的有序性问题

有序性指的是程序按照代码先后顺序执行，而编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序。举一个Java中的一个经典案例，双重检查的单例模式。

pubic class Singleto {
    static Singleto instance;
    static Singleto getInstance(){
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleto.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
    }
    
    return instance;
}
复制代码

假设线程A、B同时调用getInstance()方法，乍一看上去，线程发现instance == null 后，会对Singleto.class加锁，JVM保证只有一个线程可以获得该锁，则另一个线程会处于等待状态。最后只有一个线程创建实例成功，另一个线程在锁释放后获得锁，然后检查instance == null时，发现Singleto实例已经创建成功，所以不会再创建一个Singleto实例。实际上，getInstance()方法是存在问题的，问题就在new操作上，我们默认任务new操作会以以下顺序执行：

1.在堆上分配一块内存M；
2.在内存M上初始化Singleto对象的实例；
3.把M的地址赋值给instance变量。

但经过优化后的执行顺序可能是这样的：

1.分配一块内存M；
2.将M的地址赋值给instance变量；
3.最后在内存M上初始化Singleto对象。

假如线程A执行完指令2之后恰好发生了线程切换，切换到了线程B，B也执行getInstance()方法，则B会判断instance != null，所以直接返回instance，而此时instance还没有经过初始化，访问该变量会触发空指针异常。如下图所示。

总结

并发程序经常出现的问题归根结底是直觉欺骗了我们，要诊断并发Bug，需要深刻理解可见性、原子性、有序性在并发场景下的原理。

并发编程Bug源头：缓存带来的可见性问题；线程切换带来的原子性问题；编译优化带来的有序性问题。